深部煤巖原位擾動力學(xué)行為研究

高明忠，王明耀，謝 晶，高亞楠,7，鄧光迪，楊本高，王 飛，郝海春,謝和平

(1.深圳大學(xué) 廣東省深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用重點實驗室，廣東 深圳 518060; 2.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060; 3.深圳大學(xué) 深圳市深部工程科學(xué)與綠色能源重點實驗室，廣東 深圳 518060; 4.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060; 5.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065; 6.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065; 7.中國礦業(yè)大學(xué) 深部資源流態(tài)化開采前沿科學(xué)研究中心，江蘇 徐州 221116)

深部資源開采過程中，巖體力學(xué)行為及災(zāi)變過程極其復(fù)雜，經(jīng)典巖體力學(xué)理論已不能有效描述。國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了“深部”的概念[1-2]，并發(fā)展了針對深部的工程技術(shù)與工程建議。深部巖體力學(xué)常出現(xiàn)異于常態(tài)的力學(xué)行為，目前普遍認(rèn)為“深部”是采動力學(xué)行為由以線性為主轉(zhuǎn)為非線性為主的深度，或是表現(xiàn)出某些特殊工程現(xiàn)象的臨界深度[1-4]，但并未強調(diào)圍巖所處應(yīng)力環(huán)境與狀態(tài)，這與工程實踐有所差異。謝和平團(tuán)隊針對該問題開展了深入探索，通過對大量現(xiàn)場地應(yīng)力測試統(tǒng)計分析認(rèn)為，深部不是(深度的)位置概念，而是一種力學(xué)狀態(tài)。隨著深度的增加，地應(yīng)力狀態(tài)逐漸從淺部的構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)狀態(tài)向深部靜水壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，即理論上到達(dá)一定臨界深度后呈現(xiàn)出三向等壓的靜水壓力狀態(tài)(σ1=σ2=σ3)，相關(guān)研究通過力學(xué)分析為深部界定提供一個機理性的、定量化的描述，有效指導(dǎo)了深部資源的開采及其災(zāi)害防控[5-6]。

目前，關(guān)于“深部”，學(xué)術(shù)界最大共識在于其“三高一擾動”(高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓，開挖擾動)特征。并且普遍認(rèn)為“三高”環(huán)境導(dǎo)致巖石的組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)特征和工程響應(yīng)與淺部相比都將發(fā)生變化，是深部工程災(zāi)害頻發(fā)且不同于淺部災(zāi)害形式的主要原因之一[7-8]。人們針對高地應(yīng)力、高地溫及高滲透壓作用下的巖石物理力學(xué)特征展開了廣泛的研究，包括變形行為、強度特征、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、滲透特性等[9-11]。值得注意的是地質(zhì)環(huán)境如地應(yīng)力、地溫、滲透壓往往都是與賦存深度密切相關(guān)的，因此，一些學(xué)者也以賦存深度為切入點，對深部巖體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。李俊如等[12]實測發(fā)現(xiàn)不同深度巖石抗壓強度、抗剪強度和黏聚力等隨深度的增加而逐漸增大。蔣小偉等[13]利用巖體質(zhì)量分級RQD方法，評估了巖石變形模量隨賦存深度增長的特征?？梢娰x存深度對巖石強度影響十分顯著，其總體上隨深度的增加而增大[14]。除了探討深度對巖石變形破壞和強度特征方面的影響外，人們對巖石破壞機理隨賦存深度的變化也進(jìn)行了相應(yīng)研究。WAGNER等[15]認(rèn)為深部巖體的破壞更多表現(xiàn)為動態(tài)的突然破壞，即巖爆或沖擊地壓。仵彥卿[16]通過室內(nèi)三軸試驗發(fā)現(xiàn)巖石孔隙率隨地層賦存深度的增加(各個深度軸向應(yīng)力σ1=γH，圍壓σ3=KγH進(jìn)行模擬)而逐漸減小。同時，深部煤巖體力學(xué)響應(yīng)具有突變性，淺部巖體破壞一般是漸進(jìn)的，且在臨近破壞時經(jīng)常表現(xiàn)出變形加劇現(xiàn)象，破壞前兆明顯。在深部開采條件下，大多學(xué)者認(rèn)為巖體破壞具有強烈的沖擊破壞特性，其力學(xué)響應(yīng)的破壞過程往往是突發(fā)的、無前兆的突變過程。在實際巷道開挖過程中表現(xiàn)為大范圍巷道的突然坍塌和失穩(wěn)[17-18]，在采動工作面中該過程可能表現(xiàn)為頂板的突然大面積沖擊來壓[15,19]等現(xiàn)象。

現(xiàn)有的研究，大多是基于深部環(huán)境的因素或狀態(tài)(如地應(yīng)力、溫度或深度等)展開，同時考慮原位賦存狀態(tài)和開采擾動的巖體力學(xué)行為研究還比較少見。深部巖體破壞失穩(wěn)的本質(zhì)原因就是開采擾動破壞了初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，深部巖體的力學(xué)行為與開采擾動及開采方式密切相關(guān)[20-21]。沿用傳統(tǒng)的常規(guī)三軸巖石力學(xué)實驗全應(yīng)力-應(yīng)變曲線對巖體的基本力學(xué)行為和變形破壞過程進(jìn)行描述分析，獲得的巖石材料基本力學(xué)性質(zhì)(如彈性模量、泊松比、強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等)，缺乏考慮現(xiàn)場的原位應(yīng)力狀態(tài)和開采擾動的影響，未與工程活動相關(guān)聯(lián)，不能反映在工程活動或運營狀態(tài)下巖體真實的力學(xué)性質(zhì)[6，20,22]。因此，亟需要考慮原位地質(zhì)環(huán)境和原位工程擾動，探索原位巖體力學(xué)行為;從試驗測試手段上來說，需要探索和建立原位力學(xué)研究試驗方法。

筆者以深部煤炭資源開采為工程背景，通過現(xiàn)場實測探索深部開采擾動下煤巖應(yīng)力環(huán)境演化過程;考慮不同深度應(yīng)力狀態(tài)和煤炭開采不同擾動強度，開展深部原位采動力學(xué)試驗，分析煤巖體在真實復(fù)雜原位應(yīng)力路徑演化過程中的力學(xué)行為和破裂特征，初步揭示深部原位環(huán)境下巖石力學(xué)行為規(guī)律，以期為深部資源開采提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 深部原位力學(xué)環(huán)境測試及原位應(yīng)力路徑

深部原位巖體最初處于平衡狀態(tài)，受開采或開挖活動影響，原巖應(yīng)力場出現(xiàn)變化，應(yīng)力重新分布，且不同工程活動致使圍巖所受應(yīng)力路徑大相徑庭，導(dǎo)致巖體強度特征、變形破壞特征等一系列力學(xué)行為表現(xiàn)出完全不同的規(guī)律。即使同種工況下不同擾動強度對深部巖石力學(xué)性質(zhì)也會產(chǎn)生不同影響，普遍認(rèn)為在一定加載速率范圍內(nèi)，巖石強度隨加載速率增大而增大[23-26]。另一方面，隨著深度增加，圍巖應(yīng)力水平和圍巖屬性均會發(fā)生改變，不同深度煤巖體表現(xiàn)出來的基本力學(xué)特性與淺部開采時截然不同，甚至基本的力學(xué)參數(shù)也發(fā)生變化，如彈性模量、泊松比等[21]。因此，深部原位巖石力學(xué)研究，必須充分考慮不同深度原位應(yīng)力狀態(tài)、開采擾動路徑以及擾動強度等方面的影響。

1.1 深部原位采動過程力學(xué)環(huán)境測試

煤炭開采過程的擾動效應(yīng)相對容易監(jiān)測捕捉，基于同煤集團(tuán)同忻礦北三盤區(qū)某工作面展開原位巖石力學(xué)研究。該工作面位于同忻井田西部、北三盤區(qū)的西南部，工作面標(biāo)高818～842 m，對應(yīng)地面標(biāo)高1 294.3～1 443 m，垂直埋深約為550 m。煤層基本頂為中細(xì)粗粒砂巖、泥巖及鋁土質(zhì)泥巖，水平層理，泥質(zhì)膠結(jié)。直接頂為含礫粗砂巖及中砂巖，以石英碎屑為主，偽頂為泥巖，直接底為高嶺巖及炭質(zhì)泥巖，基本底為煤及中粗砂巖，以石英為主，長石次之。該工作面為近水平中厚或厚煤層，煤層厚度10.8～18.0 m，大部分區(qū)域平均厚度為14.88 m左右，傾角0°～3°，平均傾角1.5°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，開采條件較好。

通過開展采動過程的原位雙軸監(jiān)測(圖1)[27]，探索放頂煤開采條件下采動應(yīng)力演化特征，獲取擾動煤巖體的原位力學(xué)參數(shù)，得到真正對應(yīng)工程擾動影響的煤巖體原位力學(xué)行為。為測試結(jié)果更加真實可靠，具有可比較性，現(xiàn)場原位雙軸試驗開展前，首先從該工作面采集煤塊并制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試樣。試驗時在煤壁上掏出尺寸為500 mm×400 mm×300 mm(寬×高×深)的槽，將墊片、應(yīng)力計、扁平千斤頂放置于原位掏槽剛性實驗加載端，而后把煤樣緊貼應(yīng)力計下部墊片放置，緩慢按壓豎向千斤頂施加預(yù)應(yīng)力，防止上端面墊片滑落，最后調(diào)整墊片、煤樣、千斤頂及應(yīng)力計位置，使各部件軸心緩慢調(diào)整至同一豎直線上，以防后期偏心加載，同時安裝側(cè)向壓力監(jiān)測裝置。試樣安裝完成后，定期下井采集應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)獲取煤巖體在開采過程中豎向和水平方向的應(yīng)力變化值。

隨著工作面向前推進(jìn)，工作面前方一定距離的煤體支承壓力σ1由靜水壓力狀態(tài)逐漸升高至峰值應(yīng)力，而垂直工作面水平應(yīng)力σ2則由靜水壓力狀態(tài)逐漸降低至0(釆動卸壓過程)，垂直巷道的σ3也會逐漸降低。為將支承壓力演化過程定量化，假定α,β分別為工作面推進(jìn)引起的支承壓力集中系數(shù)和水平應(yīng)力集中系數(shù)，即分別為垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力與初始應(yīng)力之比，利用現(xiàn)場原位雙軸監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出監(jiān)測期間各時間點對應(yīng)α,β值:

α=σ1/(λγH)

(1)

β=σ2/(λγH)

(2)

式中，λ為側(cè)壓比，不同地區(qū)λ值略有差異;γ為上覆巖層的容重，kN/m3;H為煤巖賦存深度，m。

最終得到擾動煤巖體應(yīng)力集中系數(shù)α,β的演化曲線，應(yīng)力集中系數(shù)變化過程反映了礦壓波動、暫態(tài)穩(wěn)定等過程，而其大小則反映開采擾動影響程度。σ1和σ2即為考慮了工作面生產(chǎn)狀況、原位力學(xué)環(huán)境、真實支護(hù)狀態(tài)等條件的煤巖體原位擾動支承壓力值和水平應(yīng)力值[27]。

圖2 擾動煤巖體應(yīng)力集中系數(shù)演化過程[27]Fig.2 Evolution process of stress concentration coefficient of disturbed coal[27]

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)(圖2)，提煉出支承壓力σ1與水平應(yīng)力σ2原位擾動演化規(guī)律。初期支承壓力從預(yù)應(yīng)力處略有下降，待水泥砂漿具有一定承載力后，呈現(xiàn)階段式、波動式緩慢上升，前期增長較緩，后期隨采煤工作面臨近，開采擾動造成應(yīng)力場重分布劇烈，支承壓力增長加快，35～55 h受頂板周期來壓影響，且水泥砂漿未完全固結(jié)導(dǎo)致支承壓力周期波動;20～35 h以及80～95 h出現(xiàn)的暫態(tài)穩(wěn)定現(xiàn)象，主要是由于采煤機停機檢修、工人交接班等工況。水平應(yīng)力σ2隨著工作面推進(jìn)呈現(xiàn)階梯式下降，推斷該過程為頂板周期來壓所致。因此，該原位擾動演化規(guī)律綜合考慮了工作面生產(chǎn)狀況、原位力學(xué)環(huán)境、真實支護(hù)狀態(tài)等條件，同時考慮了應(yīng)力變化的時間效應(yīng)，可以更好地體現(xiàn)擾動煤巖體真實應(yīng)力變化特征。

綜合原位雙軸試驗數(shù)據(jù)，原位擾動應(yīng)力演化路徑，隨著采煤工作面推進(jìn)，軸向應(yīng)力經(jīng)歷了由初始狀態(tài)逐漸升高至峰值應(yīng)力，然后伴隨著煤巖破壞降低至殘余強度;側(cè)向壓力則由初始狀態(tài)不斷卸載逐漸降至較低水平。此類與現(xiàn)場實際緊密相關(guān)的，考慮了開采過程中應(yīng)力演化階段的、能反映擾動煤巖真實受力狀態(tài)的應(yīng)力路徑，稱為原位開采擾動應(yīng)力路徑。

1.2 原位采動過程應(yīng)力路徑分析

針對同煤集團(tuán)同忻礦某工作面選用的放頂煤開采方式，對放頂煤開采過程中巖石應(yīng)力變化規(guī)律展開初步探索。謝和平等提出的放頂煤開采方式工作面支承壓力分布規(guī)律及工作面前方煤體應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)(圖3)[22]，最初原巖應(yīng)力處于靜水壓力狀態(tài)，隨著工作面推進(jìn)，煤層中的支承壓力(垂向應(yīng)力)由三向等壓的靜水壓力狀態(tài)逐漸升高至峰值應(yīng)力，而后伴隨煤巖體的破壞進(jìn)入卸壓狀態(tài)，垂向應(yīng)力逐漸降低至煤壁處殘余強度狀態(tài)，另一方面，水平應(yīng)力則由三向等壓的靜水壓力狀態(tài)逐漸降低。

圖3 放頂煤開采條件下工作面前方煤體應(yīng)力環(huán)境Fig.3 Stress state of the coal around the working face for top-coal caving

為探索深部煤巖體原位力學(xué)行為，對放頂煤開采不同深度、不同加卸載速率條件下煤巖體的真三軸強度、變形參數(shù)展開研究，以期掌握真實擾動過程中的煤巖體力學(xué)行為特征，分析模擬原巖應(yīng)力區(qū)煤巖體力學(xué)特性，基于謝和平等提出的放頂煤開采方式下工作面前方應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場原位雙軸試驗所得原位擾動演化模型[22]，簡化部分復(fù)雜應(yīng)力波動過程，提出工作面前方煤巖體經(jīng)歷的采動應(yīng)力演化模擬路徑如圖4所示。圖4中原巖應(yīng)力區(qū)指遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)巷位置，靠近采煤工作面中心處，通風(fēng)巷道開挖卸荷作用對該部分煤體單元影響較??；開挖破碎區(qū)指靠近進(jìn)風(fēng)巷道，該部分煤體單元受進(jìn)風(fēng)巷道開挖卸荷作用影響較大；而開挖擾動區(qū)則指位于原巖應(yīng)力區(qū)和開挖破碎區(qū)中間的煤巖體。

據(jù)此，可擬定原位采動過程的應(yīng)力路徑試驗方案:① 靜水壓力階段:以0.2 MPa/s的加載速率同時施加軸向應(yīng)力(σ1方向)與水平應(yīng)力(σ2方向與σ3方向)至20,30,40 MPa(按試驗面地質(zhì)條件垂直應(yīng)力梯度為25 kPa/m，對應(yīng)設(shè)計埋深分別為800,1 200,1 600 m)，即圖4中OA段;保持靜水壓力狀態(tài)不變，穩(wěn)定一段時間，即圖4中AB段;② 第1卸載階段:整個加卸載階段均保持σ3不變，增加軸向應(yīng)力σ1的同時降低水平應(yīng)力σ2。其中軸向應(yīng)力與水平應(yīng)力均采用應(yīng)力控制方式加載，σ1應(yīng)力加載速率v1分別為0.05,0.10,0.20 MPa/s，σ2應(yīng)力卸載速率v2分別為0.04,0.08,0.16 MPa/s，加載至軸向應(yīng)力系數(shù)為1.5，即σ1=1.5σ3，對應(yīng)圖4中BC,BD,BE段;③ 第2卸載階段:持續(xù)增加軸向應(yīng)力σ1同時降低水平應(yīng)力σ2，直至破壞。其中軸向應(yīng)力與水平應(yīng)力均采用應(yīng)力控制方式加載，σ1應(yīng)力加載速率v1分別為0.10,0.20,0.40 MPa/s，σ2對應(yīng)的應(yīng)力卸載速率v2分別為0.04,0.08,0.16 MPa/s，即圖4中CF,DG段。

圖4 放頂煤開采條件下應(yīng)力路徑Fig.4 Stress path of top-coal caving

2 基于原位應(yīng)力路徑的深部煤巖力學(xué)特征分析

深部原位擾動應(yīng)力路徑演化模型的提出是原位力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)，現(xiàn)場原位雙軸監(jiān)測軸向壓力及側(cè)向壓力變化趨勢總體與前述謝和平等提煉的工作面前方支承壓力隨采煤工作面推進(jìn)演化過程一致，此應(yīng)力路徑可研究開采條件下煤巖體強度與變形特性。本文利用重慶大學(xué)自主研發(fā)的多功能真三軸流固耦合試驗系統(tǒng)，開展考慮放頂煤開采擾動路徑、不同深度原位賦存環(huán)境和不同加卸載速率等因素的深部煤巖原位采動巖石力學(xué)測試分析，一定程度上可避免現(xiàn)有的單軸壓縮試驗(σ1>σ2=σ3=0)與常規(guī)三軸加卸載試驗(σ1≥σ2=σ3)的局限性，該試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)多種復(fù)雜應(yīng)力路徑下單軸、雙軸、五面加載單面臨空與六面混合加載的真三軸應(yīng)力狀態(tài)下煤巖力學(xué)特性與流體滲流規(guī)律研究[28-29]。

2.1 原位采動應(yīng)力路徑下煤巖體力學(xué)行為

基于不同賦存深度煤巖原位采動應(yīng)力環(huán)境下的試驗?zāi)M方法，通過改變初始應(yīng)力水平與加卸載速率等因素，最大程度還原深部不同深度下煤巖原位開采過程，同時通過與常規(guī)三軸試驗結(jié)果對比分析，研究深部原位不同深度煤巖賦存狀態(tài)、開采擾動路徑及擾動強度對于煤巖體強度、變形等力學(xué)特征的影響[30-32]。天然環(huán)境的不同賦存深度巖石處于復(fù)雜地應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)，其力學(xué)性質(zhì)與初始應(yīng)力大小方向息息相關(guān)，因此在研究深部原位巖石力學(xué)行為規(guī)律時，必須要考慮受賦存深度影響的原位應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)埋深為800,1 200,1 600 m時，試樣在加卸載階段破壞時峰值應(yīng)力平均值分別為49.28,62.35和66.31 MPa，隨著埋深的增加，煤巖體強度呈增加趨勢，但其強度變化規(guī)律表現(xiàn)出明顯的非線性特征，1 200 m埋深下對試樣強度提升更為顯著，較800 m埋深下至少提高了13%。同時，在低圍壓作用下煤巖體在破壞時出現(xiàn)了相對于初始狀態(tài)的體積膨脹現(xiàn)象，但隨著埋深增加，受高圍壓限制作用，煤巖體在破壞時呈壓縮趨勢。

為進(jìn)一步研究加卸載速率對不同深度煤巖原位力學(xué)行為的影響，繪制了各個深度下不同方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖5～7)，對于原巖應(yīng)力區(qū)煤巖體，在一定范圍內(nèi)改變加卸載速率對煤巖體變形特征產(chǎn)生的影響較小，整個加卸載破壞過程中，不同深度下煤巖體表現(xiàn)出類似的變形特征。在第1卸載階段中，σ1方向上壓縮變形持續(xù)增大，與之相反，σ2方向上膨脹變形持續(xù)增大。σ3方向上由于受到圍壓的限制作用，只產(chǎn)生微小的膨脹變形，且應(yīng)變變化率明顯低于其他兩個方向。進(jìn)入第2卸載階段，雖然σ1方向上加載速率提升，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍然沿著第1卸載階段的趨勢發(fā)展至破壞，不同的是在低圍壓加載下煤巖體破壞時有明顯的膨脹趨勢。

圖5 不同方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(800 m)Fig.5 Stress-strain curve of different directions (800 m)

圖6 不同方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1 200 m)Fig.6 Stress strain curves in different directions (1 200 m)

圖7 不同方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1 600 m)Fig.7 Stress strain curves in different directions (1 600 m)

如圖5所示，在800 m埋深下，v2在0.04～0.16 MPa/s變化時，隨著加卸載速率提高，煤巖體強度基本保持不變，破壞時垂直應(yīng)力σ1相差1%左右，σ1約為49 MPa，受加載速率影響較小，現(xiàn)場回采時可結(jié)合頂?shù)装迩闆r適當(dāng)提高采煤工作面推進(jìn)速度。此外，當(dāng)加卸載速率v2在0.04～0.08 MPa/s范圍時，隨著加卸載速率提高，ε1與ε2基本保持不變;當(dāng)加卸載速率繼續(xù)提高至v2=0.16 MPa/s，ε1顯著增加，ε2降低，而ε3隨著加卸載速率提高一直保持小幅度提高。由于煤樣的各向異性特征，σ1方向與σ2方向的應(yīng)變變化率存在差異，當(dāng)σ1方向應(yīng)變變化率小于σ2方向(如v2=0.04,0.08 MPa/s)時，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積膨脹狀態(tài)，煤樣破壞時ε1明顯小于ε2;相反，當(dāng)σ1方向應(yīng)變變化率大于σ2方向(如v2=0.16 MPa/s)時，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積壓縮狀態(tài)，煤樣破壞時ε1明顯大于ε2。因淺部圍巖強度受開采速率影響較小，實際生產(chǎn)過程中，在保證煤巖體具有較高承載能力的同時可適當(dāng)提高開采速率，改善生產(chǎn)效率。

在1 200 m埋深下(圖6)不同于800 m埋深低圍壓條件，隨著加卸載速率提高，煤巖體整體強度顯著降低。相較于v2=0.04 MPa/s時的破壞強度，v2=0.08 MPa/s時破壞強度僅下降約1%，v2=0.16 MPa/s時破壞強度下降約16%，此時峰值應(yīng)力σ1約為55.70 MPa。表明在該深度下，當(dāng)加卸載速率在一定范圍內(nèi)時對煤巖體強度影響并不顯著，若超出該范圍，加卸載速率提高則會使煤巖體整體強度降低，開采擾動作用對于煤巖體力學(xué)特征影響顯著。此外，當(dāng)加卸載速率v2在0.04～0.08 MPa/s時，隨著加卸載速率提高，ε1與ε2基本保持不變;當(dāng)加卸載速率繼續(xù)提高至v2=0.16 MPa/s，ε1與ε2均顯著降低，但ε3隨著加載速率提高呈小幅度降低趨勢。此外，1 200 m埋深下試樣σ1方向應(yīng)變變化率均大于σ2方向，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積壓縮狀態(tài)，煤樣破壞時ε1明顯大于ε2。這一現(xiàn)象表明隨著深度增加，圍壓對于試樣擴容的限制作用增強，煤樣在較深部高地應(yīng)力的作用下發(fā)生整體體積壓縮，煤層內(nèi)部將累積較大的應(yīng)變能，同時煤體內(nèi)部原生裂隙與孔隙的閉合，因而深部煤炭開采過程中，煤層內(nèi)局部發(fā)生破壞時會急劇釋放高量級能量，極有可能誘發(fā)沖擊地壓和煤與瓦斯突出等一系列工程災(zāi)害[33-34]。

當(dāng)模擬進(jìn)入1 600 m埋深時(圖7)，受到高應(yīng)力環(huán)境與煤樣各向異性特點的影響，隨著加卸載速率提高，煤樣非線性變形特征顯著增強，且呈現(xiàn)出不規(guī)律變化趨勢，煤巖體整體強度同樣隨加卸載速率提高呈降低趨勢。相較于v2=0.04 MPa/s時的破壞強度，v2=0.08 MPa/s時破壞強度下降約6%，v2=0.16 MPa/s時破壞強度下降約7%。表明隨著深度增加，提高加卸載速率會使煤巖體整體強度降低，開采擾動作用在一定范圍內(nèi)對于煤巖體力學(xué)特征影響顯著，但當(dāng)加卸載速率增加超過該范圍后，其改變對該位置煤巖體強度影響減弱。該工況下煤樣整體變形特征與埋深1 200 m類似，除v2=0.08 MPa/s時表現(xiàn)出差異性外，其余試樣σ1方向應(yīng)變變化率均大于σ2方向，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積壓縮狀態(tài)。且1 600 m埋深下試樣峰值應(yīng)力對應(yīng)的體積應(yīng)變平均值為0.55%，約為1 200 m埋深下的2倍，可見高地應(yīng)力作用下，煤層受到開采擾動影響整體壓縮變形量較淺部更大，蓄積能量隨著煤巖體局部破壞釋放，煤巖系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性增大。淺部沒有沖擊傾向性的非沖擊礦井，進(jìn)入深部有轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生沖擊地壓的傾向，可采取措施使應(yīng)力釋放，從而防止沖擊地壓的發(fā)生，或者利用超前注水軟化煤層[35-36]。

受不同賦存深度煤巖體的原位地應(yīng)力環(huán)境影響，相同推進(jìn)速度對于不同深度的煤巖體擾動影響存在差異，某個開采速度對于淺部煤巖體影響較小，但進(jìn)入深部后該推進(jìn)速度可能造成強開采擾動，會大大降低煤巖體的承載能力，改變煤巖體力學(xué)特性。由圖8可明顯看出，煤巖體在800 m埋深時，當(dāng)卸載速率v2在0.04～0.16 MPa/s內(nèi)變化時，隨著加卸載速率提高，煤巖體強度基本保持不變;埋深為1 200 m時，卸載速率對煤巖體強度影響也并不大，若超出該范圍至v2=0.16 MPa/s，加卸載速率提高則明顯使煤巖體整體強度降低;當(dāng)埋深為1 600 m時，卸載速率提高使煤巖體整體強度降低，但繼續(xù)提高加載速率至v2=0.16 MPa/s時，則煤巖體強度無明顯變化，與0.08 MPa/s條件下強度基本一致。上述現(xiàn)象表明，該工況下在某個范圍內(nèi)采煤工作面推進(jìn)速度的改變對煤巖體力學(xué)特征會產(chǎn)生顯著影響，超出該范圍后影響大大減弱。且該影響范圍與煤層的賦存深度有關(guān)，煤層埋深越深，開采速度影響范圍區(qū)間較小，因此在實際工程中，應(yīng)結(jié)合煤層實際賦存深度，將工作面開采速度控制在合理范圍內(nèi)，盡可能降低開采擾動的影響，對于煤礦安全高效開采具有重要意義。

圖8 加載速率對不同深度煤巖體影響Fig.8 Effect of the loading rate on the coal with different depths

2.2 深部煤巖原位力學(xué)行為和常規(guī)三軸力學(xué)行為對比

針對不同開采深度的煤巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗，并與原位力學(xué)的測試結(jié)果進(jìn)行對比，如表1和圖9所示。

表1 不同深度煤巖考慮采動與未考慮采動實驗結(jié)果Table 1 Results with/without the consideration of mining distubance

圖9 典型立方體煤樣常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curve of cubic coal specimen of triaxial compression tests

煤巖體在原位力學(xué)行為測試和常規(guī)三軸加載下強度都隨初始圍壓增加而呈增大趨勢，表明煤炭開采進(jìn)入深部后，高地應(yīng)力使得煤巖體破壞需更大的外部荷載驅(qū)動，但明顯后者增加幅度更大，受圍壓影響更為明顯。當(dāng)圍壓為20 MPa時，峰值強度約為67.1 MPa;40 MPa時，最大峰值強度達(dá)到99.8 MPa，整體強度增加約40%。然而常規(guī)三軸加載并未考慮垂直于采煤工作面方向的水平應(yīng)力σ2在開采過程中不斷卸荷的影響，導(dǎo)致煤巖強度偏高，而且由于常規(guī)三軸試驗σ2,σ3方向圍壓相等，整個變形破壞過程中煤樣水平方向(σ2方向與σ3方向)應(yīng)變基本保持一致，不能反映深部巖體擾動后的三向不等壓狀態(tài)?；谡嫒S加卸載系統(tǒng)的深部煤巖體原位擾動力學(xué)特性與破裂行為研究，考慮了開采過程中σ2方向的卸荷，故應(yīng)變ε2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ε3，可以反映深部因受地下工程擾動影響由初始靜水壓力狀態(tài)向三向不等壓力學(xué)狀態(tài)發(fā)展的過程，煤巖體缺乏σ2方向的約束更容易破壞，因此相較于常規(guī)三軸壓縮，煤巖體強度整體較小，更接近真實開采條件下的圍巖變形特征。此外，常規(guī)三軸加載相對于初始狀態(tài)始終保持體積壓縮，低圍壓下試樣體積壓縮一直增加，但高圍壓作用下煤巖體在破壞時有膨脹趨勢。需要指出是深部原位巖石力學(xué)行為測試中煤巖體在低圍壓作用下破壞時有膨脹趨勢，但在高圍壓作用下，雖然σ2方向在不斷卸荷，但是σ3方向的水平應(yīng)力仍然限制了煤巖體的膨脹發(fā)展，破壞時仍呈壓縮趨勢。

3 基于原位應(yīng)力路徑的深部煤巖破裂特征分析

3.1 原位采動應(yīng)力路徑下煤巖破裂特征

深部高地應(yīng)力條件下，巷道開挖卸荷使得圍巖由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上蚴芰?，極易誘發(fā)工程災(zāi)害。除了常見的巷道圍巖冒頂、底臌、片幫、巖爆等災(zāi)害外，深部采礦工程中出現(xiàn)一系列特有破壞模式，如圍巖的板裂破壞、高能級巖爆等。在深部原位巖石力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上，對巖石的破壞形式、破裂角與破裂面進(jìn)行對比分析，進(jìn)而對真實擾動條件下深部煤巖原位力學(xué)破壞特征展開探索。

對于原巖應(yīng)力區(qū)煤巖體，由于σ3受巷道開挖影響較小，在整個試驗過程中σ3保持不變，因而在σ3方向設(shè)置恒定圍壓的限制作用下，煤樣破壞主要是由σ1持續(xù)加載與σ2持續(xù)卸載引起。對比試樣宏觀破壞形態(tài)，深部高圍壓條件下煤樣破壞后新生的裂紋數(shù)量較少，圍壓作用在一定程度上限制了煤樣內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生與發(fā)育，新生的裂紋數(shù)量較少，煤樣整體較為完整。此外，隨著深度增加，試樣由“半Y”型拉-剪復(fù)合破壞向“半X”型純剪切破壞過渡，破壞角度呈現(xiàn)減小趨勢。同時，加載速率作為深部煤巖體原位力學(xué)行為的重要影響因素，對不同賦存深度煤巖體破壞程度及破壞模式也有不同程度的影響。

圖10為800 m埋深下煤巖體在不同加卸載速率下破壞后的形貌特征，煤樣主要呈現(xiàn)“半X”型與“半Y”型破壞，屬于純剪切破壞或拉-剪復(fù)合破壞。低卸載速度下(v2=0.04 MPa/s)，煤樣破壞后未產(chǎn)生宏觀斷裂面，只產(chǎn)生兩條整體貫穿裂紋，煤樣基本保持完整形態(tài)。隨著卸載速率提高，當(dāng)卸載速度v2=0.08 MPa/s時，煤樣破壞后同時產(chǎn)生宏觀剪切破壞面與張拉破壞面，且除了宏觀破壞面外，煤樣表面還產(chǎn)生許多縱橫交錯的細(xì)小裂紋，煤樣整體被分割成多個塊體，破壞更加劇烈。當(dāng)卸載速度v2達(dá)到0.16 MPa/s時，發(fā)生破壞的煤樣同時出現(xiàn)2個交叉的“X”型共軛剪切破壞面與2條整體貫穿的張拉裂紋，破壞形態(tài)更為復(fù)雜。

圖10 煤樣真三軸加卸載試驗破壞后形貌特征(800 m)Fig.10 Failure pattern of the coal specimens for the true triaxial loading and unloading tests (800 m)

如圖11所示，與800 m埋深低圍壓狀態(tài)類似，1 200 m埋深下煤樣破壞同樣呈現(xiàn)“半X”型與“半Y”型破壞，賦存深度的增加并未影響其破壞模式。不同于800 m埋深低圍壓狀態(tài)的是，此時受到30 MPa較高圍壓的限制作用，煤樣破壞后表面細(xì)小裂紋數(shù)量顯著較少，各面均更加完整平滑。當(dāng)卸載速度v2由0.04 MPa/s提高到0.08 MPa/s，煤樣由拉-剪復(fù)合破壞向純剪切破壞過度，均只有單一破壞面;當(dāng)卸載速度v2達(dá)到0.16 MPa/s時，煤樣破壞時出現(xiàn)兩個基本平行的“半X”型剪切破壞面。

隨著模擬深度繼續(xù)增加至1 600 m(圖12)，與低圍壓狀態(tài)類似，不同工況下煤樣均在第2卸載階段發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，煤樣基本均呈現(xiàn)“半X”型純剪切破壞形態(tài)，未見明顯張拉破壞特征。受到深部原位高地應(yīng)力的限制作用，除了試驗前煤樣表面含有的原生裂紋外，破壞后新生的裂紋數(shù)量相對較少，不同卸載速率下煤樣的宏觀破壞形式未見明顯差異。

圖12 煤樣真三軸加卸載試驗破壞后形貌特征(1 600 m)Fig.12 Failure pattern of the coal specimens for the true triaxial loading and unloading tests (1 600 m)

采用室內(nèi)原位巖石力學(xué)行為測試對現(xiàn)場真實擾動條件進(jìn)行模擬，研究表明不同工況下煤樣的破壞形式與破壞程度均有所差異，而煤樣的破壞角度與破壞面形態(tài)在一定程度上可以反映其宏觀破壞特征，因而對不同工況下煤樣的破壞角度進(jìn)行測量統(tǒng)計，并對破壞面形態(tài)加以描述，以期進(jìn)一步揭示不同工況下煤樣的宏觀破壞特征。

表2為煤巖體在深部原位測試下破壞角度與破壞面形態(tài)的破壞特征統(tǒng)計。隨著深度增加，煤樣破壞角度呈現(xiàn)減小趨勢，不同圍壓條件下煤樣破壞表面較為粗糙，顆粒間摩擦痕跡明顯，煤樣均表現(xiàn)出明顯的滑動剪切破壞特征。以破壞面角度75°作為衡量“I”型張拉破壞與“半X”型剪切破壞的分界值[37]。根據(jù)試樣破壞面角度可對試樣宏觀破壞模式作出判斷，在20 MPa圍壓條件下，隨著卸載速率v2提高，煤樣破壞由單剪切破壞面轉(zhuǎn)變?yōu)殡p交叉剪切破壞面;隨著模擬深度增加至1 200 m時，煤樣在高卸載速率下破壞面形態(tài)更為復(fù)雜，分別出現(xiàn)雙平行剪切破壞面，破壞更加劇烈;當(dāng)埋深增加至1 600 m時，煤樣出現(xiàn)單彎折剪切破壞面、單弧形剪切破壞面等形態(tài)。

3.2 深部煤巖原位破裂特征和常規(guī)三軸破裂行為對比

立方體煤樣常規(guī)三軸壓縮試驗破壞后形貌特征和深部原位采動應(yīng)力路徑下破壞形態(tài)類似，宏觀破壞形式主要為“半X”型與“半Y”型破壞，即純剪切破壞或拉-剪復(fù)合破壞或2者的組合，表明深部煤巖體考慮工程擾動的原位力學(xué)行為很少改變試樣最終的破壞方式。受到圍壓的限制作用，常規(guī)三軸壓縮試驗煤樣破壞后表面微裂紋數(shù)量相對較少，煤樣整體保存較為完整，且隨著圍壓升高，這種抑制作用更加顯著。此外，由于立方體煤樣四周邊角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而該位置有較多煤巖薄片與小塊煤樣脫落，煤樣破壞的宏觀裂紋多從脫落位置開始延伸發(fā)育，最終貫穿整個試樣。圖13為不同圍壓下煤樣常規(guī)三軸壓縮試驗破壞后形貌特征。

表2 原巖應(yīng)力區(qū)煤巖體破壞特征統(tǒng)計Table 2 Summary data of failure characteristics of the coal in the undisturbed zone

圖13 煤樣常規(guī)三軸壓縮試驗破壞后形貌特征Fig.13 Failure pattern of the coal specimens for the triaxial compression tests

4 結(jié) 論

(1)隨著賦存深度的增加使得開采速度對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響程度增大。巖體強度隨賦存深度非線性增長，淺部(低圍壓)巖體的強度受載荷速率影響較小，開采速率對深部(高圍壓)巖體力學(xué)特征的影響存在特定范圍，在該范圍內(nèi)，巖體力學(xué)性質(zhì)隨開采速度變化劇烈。在實際工程中，應(yīng)結(jié)合煤層賦存深度，將工作面開采速度控制在合理范圍內(nèi)，盡可能降低開采擾動的影響。

(2)深部煤巖原位力學(xué)行為研究表明，隨著深度增加，試樣由低圍壓下膨脹破壞為主轉(zhuǎn)變?yōu)楦邍鷫合聣嚎s破壞，由“半Y”型拉-剪復(fù)合破壞向“半X”型純剪切破壞過渡，煤樣破壞角度呈減小趨勢，深部的高圍壓限制使煤樣破壞后表面細(xì)小裂紋數(shù)量減少，各破壞面更加平滑完整。立方體煤樣常規(guī)三軸壓縮試驗破壞后形貌特征和深部原位采動應(yīng)力路徑下破壞形態(tài)類似，表明放頂煤開采方式下考慮工程擾動的原位力學(xué)行為少有改變試樣最終的破壞方式。

(3)煤巖體在考慮原位采動應(yīng)力路徑和常規(guī)三軸加載下強度都隨著深度增加而呈增大趨勢，但以往的常規(guī)三軸加載方式不能實現(xiàn)深部巖體擾動后的三向不等壓狀態(tài)，往往會導(dǎo)致煤巖體強度偏高，整個變形破壞過程中煤樣水平方向應(yīng)變基本一致，與實際情況并不相符?；谡嫒S加載系統(tǒng)的深部煤巖原位力學(xué)行為測試，考慮了開采卸荷、巷道掘進(jìn)卸荷，一定程度上可以反映深部受地下工程擾動后由初始靜水壓力狀態(tài)向三向不等壓力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，能最大程度上還原真實開采條件下的圍巖變形特征。

煤炭資源開采過程中，煤巖體的自身力學(xué)屬性受其工程及賦存特征所影響，而相對應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)也直接影響到現(xiàn)場工程實際。深部原位巖石力學(xué)是解決傳統(tǒng)巖石力學(xué)與深度不相關(guān)、與深部原位環(huán)境不相關(guān)、與工程活動不相關(guān)的巖體力學(xué)分支。傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論無法描述開采擾動條件下原位巖體力學(xué)行為研究，難以有效指導(dǎo)深地資源開發(fā)。本文初步提出了深部巖體力學(xué)行為的研究思路和方法，但大量工作亟待完善和開展。未來，深部原位真實復(fù)雜賦存環(huán)境下巖石本真物理力學(xué)參數(shù)、力學(xué)行為規(guī)律、破斷失穩(wěn)致災(zāi)、能量積聚釋放等一系列科學(xué)難題是提升資源獲取能力的根本，同時也是發(fā)展原位開采技術(shù)(如原位流態(tài)化開采)的先決條件，需要持續(xù)深入研究。